唐成倫，王松濤，趙愷晨，劉慶國，單軍強(qiáng)，陳彥君，朱晨杰*，沈才洪*

（ 1.江蘇集萃工業(yè)生物技術(shù)研究所有限公司,江蘇 南京 210032；2.瀘州老窖股份有限公司，四川 瀘州 646000；3.南京工業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 211816）

0 引言

木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)具有綠色、低碳、清潔、可再生等特點(diǎn)，深入開發(fā)木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)有利于我國碳中和的目標(biāo)早日實(shí)現(xiàn)。但與淀粉類糧食作物不同的是，木質(zhì)纖維素存在抗降解屏障阻礙其酶解轉(zhuǎn)化利用。預(yù)處理作為木質(zhì)纖維素利用的必要手段，不僅要破壞木質(zhì)纖維素的致密結(jié)構(gòu)，還要提高利于酶水解碳水化合物的比表面積和孔徑。作為木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)精煉第一步的預(yù)處理過程，其成本所占比例是影響下游生產(chǎn)過程的重要因素。目前，科學(xué)界與企業(yè)界已經(jīng)開發(fā)了諸多預(yù)處理技術(shù)，如蒸汽爆破、稀酸、高溫水熱等預(yù)處理手段。但這些方法多為批次處理，采用高溫高壓處理，處理量小且能耗高，成本居高不下。作為機(jī)械預(yù)處理的螺桿動(dòng)態(tài)擠壓技術(shù)可以解決以上問題，并以更低的成本進(jìn)行連續(xù)化生產(chǎn)。

螺桿動(dòng)態(tài)擠壓技術(shù)具有處理量大、剪切力高、保留時(shí)間短、物料傳質(zhì)傳熱效率高以及易于放大等特點(diǎn)，是用于木質(zhì)纖維素預(yù)處理的一種較為理想的可工業(yè)放大的生產(chǎn)裝備。螺桿動(dòng)態(tài)擠壓技術(shù)通常可以配合化學(xué)催化劑協(xié)同處理，因?yàn)槁輻U具有高效混合能力，采用較少的化學(xué)催化劑達(dá)到較理想的處理效果，從而降低工業(yè)廢水的處理量［1］。螺桿機(jī)械主要分為單螺桿與雙螺桿擠出機(jī)，但由于雙螺桿擠出技術(shù)具有更廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)，因此，木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)預(yù)處理更多采用雙螺桿擠出技術(shù)。而雙螺桿機(jī)械又分為同向雙螺桿與反向雙螺桿，da Sliva教授研究發(fā)現(xiàn)，反向雙螺桿設(shè)備存在螺旋磨損大的缺點(diǎn)，不適宜廣泛推廣應(yīng)用；而同向雙螺桿由于其可以保持較高的轉(zhuǎn)速，因此，具有物料處理量大、剪切力大、混合及傳送效率高等優(yōu)點(diǎn)［1］。本研究采用同向高速雙螺桿擠壓技術(shù)協(xié)同堿催化技術(shù)，處理了中國資源豐富的小麥秸稈，考察了催化劑用量和擠出后的保溫時(shí)間，并對(duì)碳水化合物保留率、木質(zhì)素脫除率和預(yù)處理后物料的酶解得糖率的影響進(jìn)行了研究，同時(shí)從預(yù)處理單位物料的能量輸入等角度對(duì)不同的預(yù)處理方式進(jìn)行了對(duì)比評(píng)估。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與試劑

小麥秸稈來源于江蘇徐州。纖維素酶購于諾維信公司，其酶活力為245 FPU/mL。工業(yè)級(jí)氫氧化鈉。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

秸稈切割機(jī)，鼓式水洗機(jī)（400型）和氣動(dòng)脫水機(jī)（500型）購自山東晨鐘股份有限公司，雙螺桿擠壓揉搓機(jī)（TEP80型）購自河北天正篩選制漿設(shè)備有限責(zé)任公司，秸稈處理量200 kg/h。

1.3 堿催化雙螺桿動(dòng)態(tài)擠壓預(yù)處理

小麥秸稈切成3~5 cm的小段，將切好的秸稈放入鼓式水洗機(jī)中清洗，沉淀泥沙。把清洗好的秸稈放入雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行機(jī)器預(yù)熱，使反應(yīng)倉溫度提高。待反應(yīng)倉溫度升高后，將配好的不同濃度、不同溫度的堿液加入到雙螺桿擠出機(jī)中進(jìn)行反應(yīng)（2段加催化劑，固液比為1∶2）。將擠出的物料裝入氣動(dòng)脫水機(jī)擠出黑液，加入2倍的水，清洗擠出黑液。合并螺桿與氣動(dòng)脫水機(jī)擠出的黑液，濃縮后調(diào)酸沉降得到木質(zhì)素。處理后的秸稈用于結(jié)構(gòu)分析與酶解制糖。

1.4 小麥秸稈的酶水解

取10.0 g小麥秸稈（原生和預(yù)處理后）加入到2 L水解釜中，加入去離子水，用硫酸調(diào)pH值為4.8后加入15 FPU/g（小麥秸稈）纖維素酶，在50 ℃的恒溫下以150 r/min，水解48 h，定時(shí)取樣，采用HPLC分析糖含量。檢測(cè)器為視差檢測(cè)器，色譜柱為Aminex HPX-87H ion exclusion column（300 mm ×7.8 mm；Bio-Rad Laboratories，Hercules，CA，美國），流動(dòng)相為50 mol/L稀硫酸，在55 ℃下，洗脫速度為0.6 mL/min。

1.5 分析測(cè)試方法

1.5.1 小麥秸稈組分分析 小麥秸稈的組分分析參照美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）標(biāo)準(zhǔn)分析方法進(jìn)行測(cè)定［2］。取0.300 g絕干的小麥秸稈（原生和預(yù)處理后）加入到250 mL螺口瓶中，加入3 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為72%的濃硫酸，將螺口瓶放入恒溫水浴搖床中30 ℃保溫1 h。反應(yīng)后迅速加入84 mL蒸餾水將硫酸濃度稀釋至4%，放入高壓滅菌鍋中121 ℃反應(yīng)1 h。反應(yīng)結(jié)束后，固液分離，清洗殘?jiān)娓煞Q重后，放入馬弗爐中575 ℃煅燒24 h，稱重。采用差量法測(cè)定酸不溶木質(zhì)素與灰分的含量。液相一部分通過高效液相色譜進(jìn)行糖含量測(cè)定，一部分采用紫外分光光度計(jì)205 nm測(cè)量酸溶木質(zhì)素含量。

1.5.2 小麥秸稈微觀結(jié)構(gòu)的表征 對(duì)預(yù)處理后的樣品進(jìn)行冷凍干燥，可以較好地標(biāo)尺預(yù)處理后樣品的原生結(jié)構(gòu)［3］。采用掃描電鏡（FEI Quanta 200FEG SEM）對(duì)預(yù)處理前后小麥秸稈的表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，操作電壓5 kV，放大500倍。

采用X-射線衍射儀（Rigku ultima IV， 日本）測(cè)定預(yù)處理前后小麥秸稈的結(jié)晶度變化。將小麥秸稈過篩100目，掃描范圍10~40°，掃描速度為5 °/min。計(jì)算公式如下［4］：

其中：CrI表示結(jié)晶強(qiáng)度；I002表示結(jié)晶區(qū)衍射強(qiáng)度，2θ=22.5°；Iam表示無定形區(qū)衍射強(qiáng)度，2θ=18.7°。

樣品的紅外光譜（FTIR）采用美國傅里葉紅外光譜儀（Thermo Scientific Nicolet 6700）采集。采用溴化鉀（KBr）壓片法進(jìn)行采集，取樣品與KBr按質(zhì)量比1∶100均勻混合后研磨制成薄片，圖譜采集范圍4000~500 cm-1。

1.5.3 分離提取的木質(zhì)素表征 木質(zhì)素二維核磁（2D-HSQC）的采集采用德國Bruker 400 MHz核磁共振儀（Advance 400）采集。取90 mg木質(zhì)素樣品溶解于0.5 mL DMSO-d6中。1H和13C 2個(gè)維度的譜寬分別為5000 Hz和20000 Hz。1H維度采樣點(diǎn)數(shù)為1024次，弛豫時(shí)間1.5 s，累加64次。13C維 度采樣點(diǎn)數(shù)為256次。碳?xì)漶詈铣?shù)為145［5］。采用MestReNova軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 雙螺桿擠出機(jī)工作原理分析及螺旋結(jié)構(gòu)變化對(duì)纖維的影響

機(jī)械預(yù)處理中的球磨、盤磨等其基本原理都是采用反復(fù)壓縮/減壓作用使纖維壁疲勞進(jìn)而進(jìn)行纖維的分離，但在減壓過程中釋放的能量大多轉(zhuǎn)化為熱能，這些熱能可以軟化纖維，與此同時(shí)，當(dāng)溫度超過木質(zhì)素的玻璃化溫度時(shí)，反而會(huì)使纖維變硬，不利于進(jìn)一步的利用。與常規(guī)的粉碎和磨解預(yù)處理不同，雙螺桿擠壓揉搓預(yù)處理過程中利用壓縮力和剪切力使生物質(zhì)按軸向分裂纖維化，這種作用力產(chǎn)生的熱量足以軟化木質(zhì)素，而不超過木質(zhì)素的玻璃化溫度，使纖維解離更多地發(fā)生在S1~S2層間，而不是胞間層。這對(duì)纖維細(xì)胞的初生壁和次生壁有極好的破壞作用，更有利于纖維素酶的酶解。

TEP80型雙螺桿擠壓揉搓機(jī)螺桿采用積木組合式結(jié)構(gòu)，可根據(jù)工藝要求調(diào)整螺桿構(gòu)型，螺桿由多組正壓輸送螺旋與多組反壓磨解螺旋構(gòu)成（圖1）。由于螺桿采用多級(jí)螺旋解離纖維，因此通過調(diào)整螺旋的開口間隙可以控制纖維磨解的粗細(xì)程度。表1為未進(jìn)行化學(xué)催化的中性雙螺桿擠壓預(yù)處理效果，螺旋組合中隨著最小開口徑的減小，酶解效果有所提升，主要是因?yàn)殡p螺桿擠壓揉搓纖維，使纖維從細(xì)胞壁中暴露出來，增大了比表面積（圖2）。但隨著摩擦力的增大，能耗也有所提高，當(dāng)螺旋開口減小到6 mm時(shí)，酶解效果并沒有明顯提高，反而單位處理量下降，因此，優(yōu)選螺旋開口徑為8 mm。單純進(jìn)行機(jī)械擠壓預(yù)處理纖維素酶解效果改善有限，主要是因?yàn)槟举|(zhì)素在預(yù)處理過程中并沒有脫除，其對(duì)纖維素酶的無效吸附作用降低了纖維素酶水解纖維的效率［6］。

圖1 雙螺桿示意圖

圖2 預(yù)處理前后秸稈SEM圖

2.2 堿催化雙螺桿擠壓預(yù)處理對(duì)秸稈酶解的影響

中性雙螺桿擠壓雖然能夠有效破壞細(xì)胞壁初生壁與次生壁的解離纖維，但是由于預(yù)處理過程中半纖維素與木質(zhì)素依然纏繞在纖維表面，影響了纖維素酶與纖維素的有效接觸，因此，纖維素的酶解效果并沒有大幅提升。堿催化的雙螺桿擠壓預(yù)處理已受到廣泛關(guān)注，由于螺桿擠壓可以有效解離纖維，堿性藥液更容易浸入纖維素內(nèi)部，在擠壓纖維過程中摩擦產(chǎn)熱也加速了木質(zhì)素大分子的斷裂溶出。

表1 螺旋開口對(duì)酶解效果的影響

2.2.1 預(yù)處理后樣品的組分分析 摩擦產(chǎn)熱效應(yīng)預(yù)熱后螺桿機(jī)箱溫度可高達(dá)95 ℃以上，為化學(xué)催化的預(yù)處理提供了充足的熱能。由于螺桿的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，物料停留時(shí)間較短，因此，需對(duì)擠出料進(jìn)行保溫反應(yīng)。圖3為不同堿濃度及保溫時(shí)間下堿催化雙螺桿擠壓預(yù)處理后小麥秸稈中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量變化圖。如圖3所示，堿催化雙螺桿擠壓預(yù)處理后纖維素的損失不會(huì)超過10%，主要是因?yàn)槔w維素具有結(jié)晶結(jié)構(gòu)，其致密結(jié)構(gòu)降低了纖維素的降解程度［7］。在堿性條件下，纖維素?fù)p失的主要原因是其還原性末端發(fā)生了剝皮反應(yīng)［8］，又因?yàn)殡p螺桿擠壓揉搓機(jī)能夠解離纖維，產(chǎn)生的微纖維可能會(huì)溶解在濃堿液中，從而導(dǎo)致纖維素部分損失。相對(duì)于纖維素，半纖維素結(jié)構(gòu)疏松，分支多、還原型末端多，因此，在堿性條件下，半纖維素更易產(chǎn)生降解［7］。如圖3所示，相對(duì)于物料擠出后的保留時(shí)間，堿濃度對(duì)半纖維素降解的影響更大。當(dāng)堿濃度由0.2 g/g（小麥秸稈）提升到1.0 g/g時(shí)，剛擠出的物料中半纖維素的保留率由87.6%下降到66.1%。雖然隨著保溫反應(yīng)時(shí)間的延長，半纖維素的保留率會(huì)降低，但其影響相對(duì)較小。因此，為了保留更多碳水化合物，需要選擇適宜的堿用量。木質(zhì)素作為圍繞在纖維素周圍的物理屏障，其對(duì)纖維素酶的無效吸附作用嚴(yán)重影響了纖維素的酶解效率［6］。之前的研究也證明，木質(zhì)素的脫除率與酶解糖得率存在一定的線性關(guān)系，酶解得糖率隨著木質(zhì)素含量的降低而提高［9］。堿法預(yù)處理是木質(zhì)素脫除最有效地方法之一，在堿性條件下，氫氧根離子可以攻擊木質(zhì)素—碳水化合物復(fù)合結(jié)構(gòu)（LCC）、皂化木質(zhì)素與半纖維素之間的酯鍵，是木質(zhì)素與碳水化合物之間的分離。并且在堿性條件下，木質(zhì)素以陰離子形式存在，也利于其分離溶出［10］。同時(shí)，由于螺桿擠壓可以有效地解離纖維，堿性藥液更容易浸入纖維素內(nèi)部，在擠壓纖維過程中摩擦產(chǎn)熱也加速了木質(zhì)素大分子的斷裂溶出。因此，如圖3所示，在合適的堿用量條件下，堿催化雙螺桿擠壓預(yù)處理可高效地脫除木質(zhì)素（超過80%）。雖然較高的堿用量可以加速木質(zhì)素的分離，但后期堿處理壓力大，所以采用較低的堿用量，適當(dāng)延長擠出后的保溫反應(yīng)時(shí)間更經(jīng)濟(jì)劃算。

圖3 不同預(yù)處理?xiàng)l件下纖維素和半纖維素的保留率及木質(zhì)素脫除率

2.2.2 預(yù)處理后樣品的酶解評(píng)價(jià) 堿催化雙螺桿擠壓預(yù)處理后，小麥秸稈通過纖維素酶水解得到六碳糖與五碳糖的混合糖液可用于下游發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)生物能源和生物基化學(xué)品。圖4為不同預(yù)處理?xiàng)l件下纖維素與半纖維素酶水解48 h后的轉(zhuǎn)化率。相對(duì)于原生小麥秸稈和單純雙螺桿擠壓預(yù)處理后秸稈的酶解效果，堿催化雙螺桿擠壓預(yù)處理后，纖維素的酶解效果得到顯著改善。如圖4所示，隨著堿用量的提高，纖維素的轉(zhuǎn)化率大幅提高。例如，當(dāng)堿用量由0.02 g/g干秸稈提高到0.1 g/g時(shí)，剛擠出的物料中纖維素的酶解轉(zhuǎn)化率由41.1%提高到了80.3%。TEP80型雙螺桿擠出機(jī)為高轉(zhuǎn)速擠出機(jī)，因此，物料在反應(yīng)倉中停留的時(shí)間較短，進(jìn)而后續(xù)的保溫反應(yīng)可以使化學(xué)藥液與木質(zhì)纖維素充分反應(yīng)。保溫反應(yīng)1 h在不同堿用量條件下，纖維素酶解轉(zhuǎn)化率都明顯提高， 特別是當(dāng)堿用量為0.06 g/g時(shí)，保溫1 h后纖維素的轉(zhuǎn)化率由66.2%上升到87.7%。纖維素酶解轉(zhuǎn)化率與木質(zhì)素的脫除率呈正相關(guān)，增大堿用量與延長保溫時(shí)間都有利于木質(zhì)素的脫除，因此，纖維素的轉(zhuǎn)化率也會(huì)相應(yīng)提高。但是，當(dāng)保溫反應(yīng)時(shí)間延長超過3 h時(shí)，木質(zhì)素的脫除率不會(huì)發(fā)生太大變化（圖3），所以纖維素的轉(zhuǎn)化率也不會(huì)有較大提高。

圖4 預(yù)處理后纖維素與半纖維素的轉(zhuǎn)化率

由于螺桿擠壓解離纖維與堿催化脫除木質(zhì)素的協(xié)同作用，剛擠出物料中半纖維素的轉(zhuǎn)化率也隨著堿用量的提高而提高。當(dāng)堿用量低于0.08 g/g時(shí)，隨著保溫反應(yīng)時(shí)間的延長，半纖維素的轉(zhuǎn)化率明顯提高；當(dāng)堿用量大于等于0.08 g/g時(shí)，半纖維素的轉(zhuǎn)化率隨著保溫反應(yīng)時(shí)間的延長不僅沒有明顯提高反而會(huì)下降，這主要是因?yàn)榕c纖維素相比，半纖維素的保留率受堿用量影響更大。因此，即使在較高堿用量條件下，剛擠出物料的半纖維素轉(zhuǎn)化率較高，但隨著保溫反應(yīng)的進(jìn)行，堿用量較低的物料也會(huì)達(dá)到理想效果。以酶解總糖得率和預(yù)處理經(jīng)濟(jì)性為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)堿用量為0.06 g/g、保溫反應(yīng)時(shí)間為1 h時(shí)，纖維素和半纖維素的水解率分別為87.7%和75.2%，總糖得率能達(dá)到83%。

2.3 預(yù)處理前后小麥秸稈的表征

掃描電鏡（SEM）可以有效提供小麥秸稈處理前后表面的結(jié)構(gòu)信息。如圖5所示，堿催化雙螺桿擠壓預(yù)處理可以有效地解離纖維，使纖維變細(xì)，但并不能使纖維完全分離成單根纖維，這些結(jié)構(gòu)上的變化主要是一級(jí)和少量的二級(jí)破碎［11］。但更重要的一點(diǎn)是，雙螺桿擠出機(jī)可以充當(dāng)高效的混合器，使化學(xué)藥液充分滲透到纖維內(nèi)部，從而改變木質(zhì)纖維的化學(xué)組成及表面結(jié)構(gòu)。因此，如圖5所示，原生小麥秸稈的表面結(jié)構(gòu)光滑、致密，結(jié)構(gòu)有序，嚴(yán)重阻礙了纖維素酶與纖維素的接觸。而采用0.02 g/g堿催化反應(yīng)時(shí)，纖維表面開始變得粗糙和松動(dòng)，但其表面依然覆蓋了大量木質(zhì)素。當(dāng)堿用量提高到0.06 g/g時(shí)，纖維素的結(jié)構(gòu)基本暴露出來，并且變得粗糙無規(guī)則。因此，堿用量為0.06 g/g時(shí)，纖維素能夠取得更好的酶解效果。

由于纖維素大分子中存在大量羥基，使得纖維素分子的分子內(nèi)和分子間存在大量氫鍵。纖維素的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)是由結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū)交錯(cuò)鏈接形成的。通過X射線衍射可以測(cè)定纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，了解堿催化雙螺桿擠壓預(yù)處理過程中秸稈中的纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)的變化。預(yù)處理前后小麥秸稈的X射線衍射圖如圖6所示，纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)并未發(fā)生變化，依然呈現(xiàn)Ⅰ型纖維素結(jié)構(gòu)。當(dāng)采用較低堿濃度（0.02 g/g）預(yù)處理后，小麥秸稈的結(jié)晶度（CI）未發(fā)生明顯變化，由46.6%上升到48.6%；當(dāng)采用0.06 g/g堿預(yù)處理時(shí)，秸稈結(jié)晶度明顯提高到57.9%。通常來講，植物原料的結(jié)晶度受原料化學(xué)組成的影響，主要與纖維素的相對(duì)含量有關(guān)。預(yù)處理后秸稈的結(jié)晶度提高，可能是與大部分的木質(zhì)素、部分半纖維素和少量無定型纖維素的分離脫除相關(guān)。雖然雙螺桿擠壓處理可以解離纖維素，但并沒有改變纖維素的微晶結(jié)構(gòu)，所以雙螺桿擠壓處理只能提高纖維素比表面積，并且增強(qiáng)木質(zhì)素的分離。通過BET測(cè)試，對(duì)比原生小麥秸稈與0.06 g/g堿催化螺桿擠壓預(yù)處理后的秸稈發(fā)現(xiàn)，比表面積由1.05提高到了1.91 m2/g，孔容由0.0048 增加至0.0082 cm3/g。因此，小麥秸稈表面結(jié)構(gòu)（比表面積、孔體積、孔徑分布）的變化，更有利于纖維素酶與纖維素的接觸，從而提高酶解得糖率［12-13］。

圖5 預(yù)處理前后秸稈的電鏡照片

圖6 預(yù)處理前后秸稈XRD和紅外圖譜

圖6為處理前后小麥秸稈的紅外表征圖。3300 ~3400 cm-1代表纖維素、半纖維素和木質(zhì)素中羥基（-OH）的吸收峰，2900 cm-1為甲基和亞甲基中的C-H鍵的吸收峰。圖6中1504 cm-1為木質(zhì)素芳香環(huán)骨架的吸收峰，預(yù)處理后其強(qiáng)度降低，說明木質(zhì)素在預(yù)處理后的秸稈中含量降低，且隨著堿用量的提高使其信號(hào)強(qiáng)度減弱。1160 cm-1、1030 cm-1與895 cm-1分別代表纖維素中C-O-C、第一和第二的C-O-H與β-1，4-糖苷鍵的吸收峰，相對(duì)于原生秸稈預(yù)處理后秸稈吸收強(qiáng)度的增強(qiáng)，說明纖維素的含量明顯上升。紅外表征的結(jié)果與圖5一致。

2.4 提取的木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)表征

如上文所述，獲得高質(zhì)量的木質(zhì)素，開發(fā)其潛在的應(yīng)用價(jià)值已經(jīng)成為生物能源開發(fā)利用的戰(zhàn)略支撐點(diǎn)，而且已經(jīng)受到廣泛關(guān)注，因此，對(duì)木質(zhì)素物理結(jié)構(gòu)的研究就顯得至關(guān)重要。由于酶解木質(zhì)素被譽(yù)為最接近天然木質(zhì)素的工業(yè)木質(zhì)素［14］，因此，本文選取酶解木質(zhì)素作為對(duì)比進(jìn)行分析。

通過二維核磁（HSQC）對(duì)酶解木質(zhì)素和螺桿抽提堿木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步解析。圖7和表2為二維核磁的分析圖譜及具體的信號(hào)坐標(biāo)。木質(zhì)素的二維核磁信號(hào)通常分為側(cè)鏈區(qū)（δC/δH50~90/2.5~6.0）和芳環(huán)區(qū)（δC/δH100~150/5.0~ 8.5）。木質(zhì)素的主要結(jié)構(gòu)單元（G、S、H）和各種結(jié)構(gòu)單元的鏈接鍵（β-O-4’、β-5’、α-O-4’等）都可以通過二維核磁進(jìn)行表征。如圖7所示，在木質(zhì)素的側(cè)鏈區(qū)，甲氧基為主要信號(hào)峰（δC/δH55.58/3.75）。β-O-4’結(jié)構(gòu)為木質(zhì)素的主要連接結(jié)構(gòu)，主要是因?yàn)橐荒晟荼局参锷L過程中木質(zhì)素難于生成碳碳鍵結(jié)構(gòu)。堿催化雙螺桿擠壓預(yù)處理提取的木質(zhì)素側(cè)鏈區(qū)存在木聚糖的信號(hào)，說明預(yù)處理脫木質(zhì)素的過程中會(huì)伴隨少量半纖維素的降解。

在HSQC的芳環(huán)區(qū)，愈創(chuàng)木基（G）、紫丁香基（S）和對(duì)羥苯基（H）的信號(hào)都清晰可見。此外，還存在α位氧化的紫丁香結(jié)構(gòu)（S’）、對(duì)香豆酸（pCA）結(jié)構(gòu)和阿魏酸（FA）結(jié)構(gòu)。S結(jié)構(gòu)的C2，6-H2，6相關(guān)信 號(hào) 出 現(xiàn) 在δC/δH103.67/6.69 ppm，而S’的C2，6-H2，6相關(guān)信號(hào)卻出現(xiàn)在δC/δH104.67/7.31 ppm，但是在酶解木質(zhì)素中未出現(xiàn)S’結(jié)構(gòu)，可能是因?yàn)槔w維素酶在酶解過程中會(huì)破壞S’結(jié)構(gòu)。G結(jié)構(gòu)單元的C2-H2、C5-H5、C6-H6的相關(guān)信號(hào)分別出現(xiàn)在δC/δH110.85/6.98、δC/δH115.45/6.77、δC/δH118.76/6.80 ppm。H結(jié) 構(gòu) 的C2，6-H2，6相 關(guān) 信 號(hào) 出現(xiàn) 在δC/δH127.40/7.21 ppm。但 是，H結(jié) 構(gòu) 的C3，5-H3，5相關(guān)信號(hào)并不明顯，主要是因?yàn)榕cG結(jié)構(gòu)的C5-H5相關(guān)信 號(hào)重疊［3］。pCA的C2，6-H2，6、C3，5-H3，5分別出現(xiàn)在δC/δH129.94/7.56、δC/δH114.86/6.66 ppm，并且C3，5-H3，5與G結(jié)構(gòu)的信號(hào)有部分重疊。通過二維核磁半定量分析發(fā)現(xiàn)，螺桿抽提堿木質(zhì)素中H單元比例明顯下降且S/G比例明顯增大，說明木質(zhì)素分離過程中H單元和G單元更易從木質(zhì)素大分子中斷裂。pCA的Cα-Hα、Cβ-Hβ出現(xiàn)在δC/δH144.18/7.51、δC/δH114.07/6.36 ppm。FA的主要結(jié)構(gòu)同樣被標(biāo)定出，C2-H2、C6-H6、Cβ-Hβ分別出現(xiàn)在δC/δH116.40/6.37、δC/δH122.12/7.10、δC/δH116.40/6.37 ppm。通過核磁對(duì)木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行定量分析發(fā)現(xiàn)，H、pCA和FA單元結(jié)構(gòu)所占比例明顯下降，可能是因?yàn)閴A水解了阿魏酸、香豆酸與木質(zhì)素之間的酯鍵，導(dǎo)致了木質(zhì)素大分子結(jié)構(gòu)上部分H單元結(jié)構(gòu)的損失。從圖7還能發(fā)現(xiàn)不飽和脂肪酸U的結(jié)構(gòu)信號(hào)為δC/δH129.38/5.31 ppm。

圖7 酶解木質(zhì)素和堿木質(zhì)素二維核磁圖

2.5 物料衡算與不同預(yù)處理手段能量輸入對(duì)比

圖8為在最優(yōu)條件下進(jìn)行預(yù)處理實(shí)驗(yàn)的物料衡算及與常規(guī)預(yù)處理方法能量輸入對(duì)比。采用的預(yù)處理?xiàng)l件為：堿催化劑用量為0.06 g/g干小麥秸稈，保溫反應(yīng)時(shí)間為1 h。反應(yīng)后擠出黑液，清洗固渣后再擠出黑液，對(duì)固渣進(jìn)行酶解。合并濃縮黑液，然后噴霧干燥濃縮黑液得到木質(zhì)素。從1 t小麥秸稈中，能得到342 kg六碳糖和173 kg五碳糖，總糖得率能達(dá)到83%，得到的木質(zhì)素純度大約為72%。目前，已經(jīng)有多種預(yù)處理方式應(yīng)用于工業(yè)或中式生產(chǎn)并且各有優(yōu)劣，但是預(yù)處理過程中都會(huì)涉及能量的輸入（電能、熱能等）。通過對(duì)比機(jī)械研磨（球磨、盤磨）［15］、蒸汽爆破［16］、高溫水蒸煮［17］、高溫堿蒸煮［18］、亞硫酸鹽蒸煮—盤磨［19］等預(yù)處理手段的噸能量輸入，堿催化雙螺桿擠壓能量輸入最低（僅靠電能無需外部熱能輸入）。因此，堿催化雙螺桿擠壓對(duì)用于木質(zhì)素纖維素類生物質(zhì)預(yù)處理組分分離有良好的前景技術(shù)手段。

表2 木質(zhì)素13C-1H相關(guān)的二維HSQC核磁的譜圖信號(hào)歸屬

3 結(jié)論

本文通過堿催化雙螺桿動(dòng)態(tài)擠壓預(yù)處理技術(shù)進(jìn)行了中試水平小麥秸稈預(yù)處理實(shí)驗(yàn)，考察了螺旋組合中最小螺旋開口對(duì)解離纖維和酶解制糖的效果。從能耗與得糖率的角度進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)，當(dāng)螺旋最小開口為8 mm時(shí)，效果最優(yōu)。堿性催化劑可以有效提高雙螺桿動(dòng)態(tài)擠壓預(yù)處理后秸稈的酶解效率，因?yàn)閴A性催化劑可以加速木質(zhì)素的降解溶出，降低木質(zhì)素對(duì)纖維素酶的無效吸附作用。當(dāng)堿用量為0.06 g/g干秸稈、保溫時(shí)間為1 h時(shí)，總得糖率最高，超過80%。通過對(duì)分離提取的木質(zhì)素進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征發(fā)現(xiàn)，其化學(xué)結(jié)構(gòu)保留良好，僅有部分木質(zhì)素結(jié)構(gòu)中的酯鍵水解，少量H結(jié)構(gòu)單元與G結(jié)構(gòu)單元降解。主要因?yàn)閴A催化雙螺桿動(dòng)態(tài)擠壓預(yù)處理秸稈過程中未進(jìn)行高溫加熱，堿性降解程度較低，所以這種木質(zhì)素更易于后期高值化利用。通過對(duì)不同預(yù)處理方式的能量輸入及預(yù)處理效果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，堿催化雙螺桿動(dòng)態(tài)擠壓技術(shù)預(yù)處理木質(zhì)素纖維素類生物質(zhì)具有很好的應(yīng)用前景。

圖8 堿催化雙螺桿擠壓預(yù)處理物料衡算與能量輸入對(duì)比